CN110568806B - 伺服驱动器以及伺服驱动系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种伺服驱动器以及伺服驱动系统，所述伺服驱动器包括DSP模块、以太网芯片和预设模块；DSP模块和以太网芯片之间通过SPI接口进行通信连接；预设模块用于预设第一通信协议中的地址与第二通信协议中的变量名称之间的对应关系；在进行SPI数据传输前，以太网芯片用于将待传输的变量数据的数据长度转换为设定长度；在进行SPI数据传输时，以太网芯片用于根据地址将设定长度的变量数据发送至DSP模块。本发明通过实现预设通信协议之间的对应关系以实现DSP模块和以太网芯片的SPI数据传输，解决了Modbus协议和CoE协议之间通讯障碍的问题，且采用全双工的数据传输方式，提升了数据传输速率。

Description

伺服驱动器以及伺服驱动系统

技术领域

本发明涉及工业自动化技术领域，特别涉及一种伺服驱动器以及伺服驱动系统。

背景技术

随着工业自动化的迅猛发展，以及EtherCAT(以太网控制自动化技术)现场总线具备强大的实时性和扩展性的优点，越来越多的伺服驱动器(如交流伺服驱动器)也配置有EtherCAT通讯功能。

目前，伺服驱动器中一般通过采取SPI串口连接来实现DSP(数字信号处理)单元与FPGA(现场可编程逻辑门阵列)单元之间的通讯；其中，DSP采用TMS320F28335，FPGA采用EtherCAT工业以太网芯片ET1200，该通讯方式中的SPI串口将地址与数据是分开发送，同时读与写的也是异步进行的，因此严重影响数据帧传输的速度。或在低速板块里包含Modbus(一种串行通信协议)链路等，在高速板块里包含EtherCAT链路等，理论上可实现Modbus与EtherCAT协议之间的转换，但是此通讯方式中对于一些特定的PDO(过程数据对象)变量，此多协议路由器就不再适用。另外，EtherCAT功能中的从站与主站之间通过转接器来保持通讯，容易出现电磁干扰的现象，因此存在可靠性差的缺点。

发明内容

本发明要解决的技术问题是现有技术中伺服驱动器存在数据帧传输的速度不理想、数据通信可靠性差等缺陷，目的在于提供一种伺服驱动器以及伺服驱动系统。

本发明是通过下述技术方案来解决上述技术问题：

本发明提供一种伺服驱动器，所述伺服驱动器包括DSP模块、以太网芯片和预设模块；

所述DSP模块和所述以太网芯片之间通过SPI接口进行通信连接；

其中，所述DSP模块对应第一通信协议，所述以太网芯片对应第二通信协议；

所述预设模块用于预设所述第一通信协议中的地址与所述第二通信协议中的变量名称之间的对应关系；

在进行SPI数据传输前，所述以太网芯片用于将待传输的变量数据的数据长度转换为设定长度；

其中，所述设定长度为所述DSP模块中每一数据帧传输的数据长度；

在进行SPI数据传输时，所述以太网芯片用于根据所述地址将与所述变量名称对应的变量数据发送至所述DSP模块。

较佳地，所述第一通信协议包括Modbus协议(一种串行通信协议)，所述第二通信协议包括CoE协议(一种工业以太网协议)；

在进行SPI数据传输前，所述以太网芯片用于判断所述变量数据是否符合第一设定长度，若否，则将所述变量转换成所述第一设定长度的变量；

所述以太网芯片还用于将所述第一设定长度的变量转换成第二设定长度的变量，并发送至所述DSP模块；

其中，所述第二设定长度为Modbus协议中每个数据帧传输的数据长度；

所述第二设定长度的数据长度小于所述第一设定长度的数据长度。

较佳地，在所述变量数据不符合所述第一设定长度时，所述以太网芯片还用于对所述变量进行拆分或扩展处理以得到所述第一设定长度的变量。

较佳地，所述地址包括命令类型和地址值；

其中，所述命令类型包括请求或应答。

较佳地，所述变量名称包括过程数据对象或服务数据对象；和/或，

所述SPI接口采用全双工的数据传输方式；和/或，

所述以太网芯片包括RAM模块。

本发明还提供一种伺服驱动系统，所述伺服驱动系统包括上述的伺服驱动器，所述伺服驱动系统还包括上位控制器；

所述上位控制器与所述以太网芯片通信连接；

在EtherCAT通讯传输时，所述上位控制器用于根据目标变量名称生成目标变量数据写操作的请求，并发送至所述以太网芯片；

所述以太网芯片用于根据所述目标变量数据写操作的请求获取初始目标变量数据，并确定所述初始目标变量数据对应的变量类型；所述上位控制器还用于获取目标变量数据读操作的请求，并发送至所述以太网芯片；

所述以太网芯片还用于根据所述变量类型和所述目标变量数据读操作的请求向所述上位控制器发送所述初始目标变量数据；

所述上位控制器用于读取并显示所述初始目标变量数据。

较佳地，当所述变量类型为读写类型时，所述以太网芯片用于将所述初始目标变量数据转换为第一设定长度的第一目标变量数据；

所述以太网芯片还用于将所述第一设定长度的所述第一目标变量数据转换为第二设定长度的第二目标变量数据，并发送至所述DSP模块；

所述DSP模块用于根据所述目标变量数据读操作的请求，将所述第二目标变量数据发送至所述以太网芯片；

所述以太网芯片用于所述第二目标变量数据转换成所述第一设定长度的第一目标变量数据；

所述以太网芯片还用于将所述第一设定长度的第一目标变量数据转换成对应的所述初始目标变量数据，并发送至所述上位控制器。

较佳地，当所述变量类型为只读类型时，所述以太网芯片用于所述目标变量数据读操作的请求将初始目标变量数据发送至所述上位控制器。

较佳地，当所述变量类型为只读类型且所述上位控制器向所述以太网芯片发送所述目标变量数据写操作的请求时，则所述上位控制器用于生成并显示一提醒消息；

其中，所述提醒消息为用于提醒发生写操作错误的情况。

较佳地，在所述以太网芯片根据所述目标变量数据写操作的请求获取所述初始目标变量数据后，将所述初始目标变量数据拆分成N个数据部分，并在设定时间内依次将N个数据部分发送至所述上位控制器，其中，N≥2且N取整数。

本发明的积极进步效果在于：

本发明中，伺服驱动器包括通过SPI接口通信连接的DSP模块和以太网芯片，DSP模块和以太网芯片分别采用不同的通信协议，具体通过预设通信协议之间的对应关系、建立数据传输格式以实现DSP模块和以太网芯片的SPI数据传输，有效地解决了Modbus协议和CoE协议之间通讯障碍的问题，且采用全双工的数据传输方式，提升了数据传输速率；在上位控制器发送目标变量读写操作的请求时，实现上位控制器与下位伺服驱动器之间的目标变量读写操作的目的。

附图说明

图1为本发明实施例1的伺服驱动器的结构示意图。

图2为本发明实施例1的伺服驱动器中的部分结构示意图。

图3为本发明实施例2的伺服驱动系统的结构示意图。

具体实施方式

下面通过实施例的方式进一步说明本发明，但并不因此将本发明限制在所述的实施例范围之中。

实施例1

如图1所示，本实施例的伺服驱动器包括DSP模块1、以太网芯片2和预设模块3。

DSP模块1和以太网芯片2之间通过SPI接口进行通信连接；

其中，DSP模块1对应第一通信协议，以太网芯片2对应第二通信协议；

具体地，DSP模块1可以采用TMS320F2809芯片，或者其他DSP28系列等芯片。其中，DSP模块1采用的通信协议为Modbus协议。

以太网芯片2为支持EtherCAT通讯功能的芯片，如XMC4300芯片，或者STM32芯片与ET1100芯片组合、STM32芯片与ET1200芯片组合、DSP与ET1100芯片组合、DSP与ET1200芯片组合等。其中，XMC4300芯片集成了STM32芯片(或DSP)和ET1X00的功能，XMC4300芯片还集成RAM模块，因此具有较大容量，从而提升了伺服驱动器的软件功能的可扩展能力强。其中，以太网芯片2采用的通信协议为CoE协议。

在软件开发平台上，通过图形化软件设计，设置SPI接口采用全双工的数据传输方式，传输模式为DMA(直接内存存取)模式，每一帧的数据长度为8bit，每个SPI周期可发送64帧。

在进行SPI数据传输时，DSP模块1作为主站，以太网芯片2作为从站。

具体地，如图2所示，CLK(Clock)为SPI通讯周期的时钟信号，STE为SPI通讯的片选信号，MOSI(Master Output Slaver Input)是SPI主站输出数据帧至SPI从站，这三种信号都是从SPI主站(DSP模块1)发送到SPI从站(以太网芯片2)。

SPI从站(以太网芯片2)向SPI主站(DSP模块1)的信号线有五根，其中，MISO(Master Input Slaver Output)是SPI主站输入SPI从站输出，RDY(ready)是SPI通讯中的准备信号，在为高电平时，进行SPI的数据帧的传输。SYNC是EtherCAT中的sync0信号，目的是实现EtherCAT主站(以太网芯片2)发送到EtherCAT从站(DSP模块1)之间的时钟同步，保证EtherCAT通讯时的实时性；CS1和CS2分别为片选信号，来决定传输PDO1变量和PDO2变量的数据值。

当然，也可以根据实际需求，设置更多的片选来分别控制更多的变量数据部分进行传输。

预设模块3用于预设第一通信协议中的地址与第二通信协议中的变量名称之间的对应关系；

其中，变量名称包括PDO(过程数据对象)、SDO(服务数据对象)等，更具体地，以PDO为例，包括RW(读写)类型的控制字和RO(只读)类型的状态字等。

将CoE协议中不同的变量名称(如控制字或状态字)以及索引号(如0x6040、0x6041)与Modbus协议中的地址进行对应设置，以便于两者以太网芯片2与DSP模块1之间的数据传输。

例如，以CoE协议中的变量的状态字(0x6041)为例，此PDO变量为PDO1部分中的RO型变量，规定其对应DSP模块1(DSP2809)中的Modbus协议的地址值为0x850。类似的，控制字(0x6040)为PDO1部分中的RW型变量，规定其对应着DSP模块1中的Modbus协议的地址值为0x851。

由于DSP模块1中Modbus协议的数据帧格式与以太网芯片2中的CoE协议的数据帧格式不同，因此在以太网芯片2与DSP模块1之间进行SPI数据传输前，以太网芯片2需要将待传输的变量数据的数据长度转换为设定长度，其中，所述设定长度为所述DSP模块中每一数据帧传输的数据长度。具体地：

以太网芯片2用于判断变量数据是否符合第一设定长度，若否，则将变量数据转换成第一设定长度的变量；

具体地，在变量数据不符合第一设定长度时，以太网芯片2用于对变量进行拆分或扩展处理以得到第一设定长度的变量。

以太网芯片2还用于将第一设定长度的变量转换成第二设定长度的变量，并发送至DSP模块1；

其中，第二设定长度为Modbus协议中每个数据帧传输的数据长度；

第二设定长度的数据长度小于第一设定长度的数据长度。

第一设定长度的数据长度为16bit，第二设定长度的数据长度为8bit。

例如：DSP模块1中每个数据帧传输的数据格式为8bit，因此需要对CoE协议中的变量数据长度进行处理：对于32bit的变量数据，需要将其拆分成高16bit和低16bit两部分的数据值，这两部分的数据值分别对应Modbus协议中不同的地址，从而实现SPI通讯中的数据传输。对于16bit的变量，无需进行数据处理的操作。对于8bit的变量数据，需要将其数据长度扩展为16bit，然后统一地将16bit的变量数据转换为8bit的变量数据。

在进行SPI数据传输时，以太网芯片2用于根据地址将设定长度的变量数据发送至DSP模块1。

其中，地址包括命令类型和地址值，命令类型包括请求或应答。

本实施例中，伺服驱动器包括通过SPI接口通信连接的DSP模块和以太网芯片，DSP模块和以太网芯片分别采用不同的通信协议，具体通过预设通信协议之间的对应关系、建立数据传输格式以实现DSP模块和以太网芯片的SPI数据传输，有效地解决了Modbus协议和CoE协议之间通讯障碍的问题，且采用全双工的数据传输方式，提升了数据传输速率。

实施例2

如图3所示，本实施例的伺服驱动系统包括实施例1中的伺服驱动器，伺服驱动系统还包括上位控制器4。

上位控制器4与以太网芯片2通信连接；

在EtherCAT通讯传输时，以太网芯片2作为主站，DSP模块1作为从站，主站用于向从站发送请求数据，从站用于向主站发送应答数据。

DSP模块1与以太网芯片2之间的数据传输遵循一个命令(请求或者应答)对应一个数据值的要求，其中命令和数据的长度均为1个字，且命令字中的高两位为命令的类型(请求或者应答)，命令字的低14位为地址值，具体情况见下表：

在EtherCAT通讯传输时，上位控制器4用于根据目标变量名称生成目标变量数据写操作的请求，并发送至以太网芯片2；

以太网芯片2用于根据目标变量数据写操作的请求获取初始目标变量数据，并确定初始目标变量数据对应的变量类型；

上位控制器4还用于获取目标变量数据读操作的请求，并发送至以太网芯片2；

以太网芯片2还用于根据变量类型和目标变量数据读操作的请求向上位控制器4发送初始目标变量数据；

上位控制器4用于读取并显示初始目标变量数据。

具体地，当变量类型为RW类型时，以太网芯片2用于将初始目标变量数据转换为第一设定长度的第一目标变量数据；

以太网芯片2还用于将第一设定长度的第一目标变量数据转换为第二设定长度的第二目标变量数据，并发送至DSP模块1；

DSP模块1用于根据目标变量数据读操作的请求，将第二目标变量数据发送至以太网芯片2；

以太网芯片2用于第二目标变量数据转换成第一设定长度的第一目标变量数据；

以太网芯片2还用于将第一设定长度的第一目标变量数据转换成对应的初始目标变量数据，并发送至上位控制器4。

即在写操作过程中，将初始目标变量数据均转换为16bit的数据长度，然后将16bit的数据长度均转换为8bit的数据长度，然后以每帧8bit的数据长度将第二目标变量数据传输至DSP模块。

在读操作过程中，DSP模块以每帧8bit的数据长度将第二目标变量数据传输至以太网芯片，然后将8bit的数据长度扩展为16bit的数据长度，进而扩展成32bit的数据长度初始目标变量数据。

当变量类型为RO类型时，以太网芯片2用于目标变量数据读操作的请求将初始目标变量数据发送至上位控制器4；

具体地，可以通过自定义函数来实现对变量数据的长度转换功能，例如，以PDO变量为例：

Coe_read_Modbus_PDO()函数是针对写操作中用到的PDO变量，主要功能是将EtherCAT从站功能中的PDO变量顺序与自定义SPI协议中的PDO变量顺序确定了对应关系；同时，将一个32bit的PDO变量拆分成高16bit和低16bit的两个PDO变量。

spi_pdo_data_load()函数里将写操作中用到的PDO变量进行移位和与的操作，将16bit变量转化为8bit变量，进而传输给SPI底层模块的端口。

spi_pdo_data_fetch()函数里将读操作中用到的PDO变量进行移位和与的操作，将8bit变量转化为16bit变量，进而传输给SPI底层模块的端口。

Modbus_write_Coe_PDO()函数是针对读操作中用到的PDO变量，将EtherCAT从站功能中的PDO变量顺序与自定义SPI协议中的PDO变量顺序确定了对应关系。同时，将高16bit和低16bit的两个PDO变量合并成一个32bit的PDO变量。当变量类型为只读类型且上位控制器4向以太网芯片2发送目标变量数据写操作的请求时，则上位控制器4用于生成并显示一提醒消息；

其中，提醒消息为用于提醒发生写操作错误的情况。

根据EtherCAT的实时性以及SPI每周期可传输的数据帧情况，初始目标变量数据拆分成N个数据部分，并在设定时间内依次将N个数据部分发送至上位控制器4，其中，N≥2且N取整数。

例如，当设置分布时钟周期sync0为250微秒，在RDY信号为高电平之后，且CS片选信号为01的状态下，则进行PDO1变量的数据传输；在50微秒的时间内完成PDO1变量的数据传输之后，继续对PDO2变量的数据进行传输，以保证PDO1变量、PDO2变量分别每50微秒通讯一次，实现上位机对下位伺服驱动器的读写操作。对于RW型的PDO变量，以控制字(0x6040)为例，当在TwinCAT(一种上位控制器4)中人工输入控制字(0x6040)的数值时，上位控制器4会生成一目标变量数据写操作的请求并发送至伺服驱动器中的以太网芯片2(如XMC4300)。PDO变量的写操作是需要经过SM2(syncmanager2)通道事先，故在PDI_Isr()函数(中断函数)中依次调用Coe_read_Modbus_PDO()和spi_pdo_data_load()函数对控制字对应的变量数据进行长度转换处理，再通过SPI通讯的方式发送至DSP模块1(如DSP2809)中。

由控制字(0x6040)是RW型变量，在对其进行写操作的同时，通过TwinCAT向伺服驱动器中的以太网芯片2发送目标变量数据读操作的请求。此读操作的请求同样是通过SPI通讯传输到DSP2809中，DSP2809根据读操作的请求将控制字(0x6040)当前的数据值再通过SPI通讯传输到XMC4300中，XMC4300接受到控制字(0x6040)当前的数据值。同时，PDO变量的读操作是需要经过SM3(syncmanager3)通道，故在SM3的函数中依次调用spi_pdo_data_fetch()和Modbus_write_Coe_PDO()函数，对接收的数据值进行长度转换处理，最终将控制字(0x6040)数据值传输到TwinCAT上，并显示读操作成功。

对于RO型的PDO变量，以状态字(0x6041)为例，当在TwinCAT中人工输入控制字(0x6040)的数值时，上位控制器4会生成一目标变量数据写操作的请求并发送至伺服驱动器中的以太网芯片2，由于状态字(0x6041)为只读不可写的变量，则此时再上位机上显示写操作的错误的提醒消息。当TwinCAT向伺服驱动器中的以太网芯片2发送目标变量数据读操作的请求，其读取过程与上述RW型的变量数据的读取过程类似，因此此处就不再赘述。

本实施例中，伺服驱动器包括通过SPI接口通信连接的DSP模块和以太网芯片，DSP模块和以太网芯片分别采用不同的通信协议，具体通过预设通信协议之间的对应关系、建立数据传输格式以实现DSP模块和以太网芯片的SPI数据传输，有效地解决了Modbus协议和CoE协议之间通讯障碍的问题，且采用全双工的数据传输方式，提升了数据传输速率；在上位控制器发送目标变量读写操作的请求时，实现上位控制器与下位伺服驱动器之间的目标变量读写操作的目的。

虽然以上描述了本发明的具体实施方式，但是本领域的技术人员应当理解，这仅是举例说明，本发明的保护范围是由所附权利要求书限定的。本领域的技术人员在不背离本发明的原理和实质的前提下，可以对这些实施方式做出多种变更或修改，但这些变更和修改均落入本发明的保护范围。

Claims (9)

1.一种伺服驱动器，其特征在于，所述伺服驱动器包括DSP模块、以太网芯片和预设模块；

所述DSP模块和所述以太网芯片之间通过SPI接口进行通信连接；

其中，所述DSP模块对应第一通信协议，所述以太网芯片对应第二通信协议；

所述预设模块用于预设所述第一通信协议中的地址与所述第二通信协议中的变量名称之间的对应关系；

在进行SPI数据传输前，所述以太网芯片用于将待传输的变量数据的数据长度转换为设定长度；

其中，所述设定长度为所述DSP模块中每一数据帧传输的数据长度；

在进行SPI数据传输时，所述以太网芯片用于根据所述地址将所述设定长度的所述变量数据发送至所述DSP模块；

所述第一通信协议包括Modbus协议，所述第二通信协议包括CoE协议；

在进行SPI数据传输前，所述以太网芯片用于判断所述变量数据是否符合第一设定长度，若否，则将所述变量转换成所述第一设定长度的变量；

所述以太网芯片还用于将所述第一设定长度的变量转换成第二设定长度的变量，并发送至所述DSP模块；

其中，所述第二设定长度为Modbus协议中每个数据帧传输的数据长度；

所述第二设定长度的数据长度小于所述第一设定长度的数据长度。

2.如权利要求1所述的伺服驱动器，其特征在于，在所述变量数据不符合所述第一设定长度时，所述以太网芯片还用于对所述变量进行拆分或扩展处理以得到所述第一设定长度的变量。

3.如权利要求1所述的伺服驱动器，其特征在于，所述地址包括命令类型和地址值；

其中，所述命令类型包括请求或应答。

4.如权利要求1所述的伺服驱动器，其特征在于，所述变量名称包括过程数据对象或服务数据对象；和/或，

所述SPI接口采用全双工的数据传输方式；和/或，

所述以太网芯片包括RAM模块。

5.一种伺服驱动系统，其特征在于，所述伺服驱动系统包括权利要求1至4中任意一项所述的伺服驱动器，所述伺服驱动系统还包括上位控制器；

所述上位控制器与所述以太网芯片通信连接；

在EtherCAT通讯传输时，所述上位控制器用于根据目标变量名称生成目标变量数据写操作的请求，并发送至所述以太网芯片；

所述以太网芯片用于根据所述目标变量数据写操作的请求获取初始目标变量数据，并确定所述初始目标变量数据对应的变量类型；

所述上位控制器还用于获取目标变量数据读操作的请求，并发送至所述以太网芯片；

所述以太网芯片还用于根据所述变量类型和所述目标变量数据读操作的请求向所述上位控制器发送所述初始目标变量数据；

所述上位控制器用于读取并显示所述初始目标变量数据。

6.如权利要求5所述的伺服驱动系统，其特征在于，当所述变量类型为读写类型时，所述以太网芯片用于将所述初始目标变量数据转换为第一设定长度的第一目标变量数据；

所述以太网芯片还用于将所述第一设定长度的所述第一目标变量数据转换为第二设定长度的第二目标变量数据，并发送至所述DSP模块；

所述DSP模块用于根据所述目标变量数据读操作的请求，将所述第二目标变量数据发送至所述以太网芯片；

所述以太网芯片用于所述第二目标变量数据转换成所述第一设定长度的第一目标变量数据；

所述以太网芯片还用于将所述第一设定长度的第一目标变量数据转换成对应的所述初始目标变量数据，并发送至所述上位控制器。

7.如权利要求5所述的伺服驱动系统，其特征在于，当所述变量类型为只读类型时，所述以太网芯片用于所述目标变量数据读操作的请求将初始目标变量数据发送至所述上位控制器。

8.如权利要求7所述的伺服驱动系统，其特征在于，当所述变量类型为只读类型且所述上位控制器向所述以太网芯片发送所述目标变量数据写操作的请求时，则所述上位控制器用于生成并显示一提醒消息；

其中，所述提醒消息为用于提醒发生写操作错误的情况。

9.如权利要求5所述的伺服驱动系统，其特征在于，在所述以太网芯片根据所述目标变量数据写操作的请求获取所述初始目标变量数据后，将所述初始目标变量数据拆分成N个数据部分，并在设定时间内依次将N个数据部分发送至所述上位控制器，其中，N≥2且N取整数。

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